KR101994333B1

KR101994333B1 - 선박용 열교환기의 응축수 수위조절방법

Info

Publication number: KR101994333B1
Application number: KR1020170123166A
Authority: KR
Inventors: 박말용; 김성훈
Original assignee: (주)마이텍
Priority date: 2017-09-25
Filing date: 2017-09-25
Publication date: 2019-09-30
Also published as: KR20190034754A

Abstract

본 발명은 선박의 보일러에서 생성된 스팀을 사용한 후, 재활용하기 위하여 회수 및 재응축시켜 보일러의 보급수로 사용되기 위하여 열교환기의 내부로 유입된 응축수의 수위를 조절하기 위한 드레인관이 구비되어 있는 선박용 열교환기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 상기 열교환기의 내부로 유입되는 고온고압의 응축되지 않은 스팀이 열교환기의 내부에서 응축수로 변하지 않은 상태로 드레인관으로 곧바로 배출되지 않도록, 드레인관에 복수 개의 서브 드레인관을 설치하여 선박의 운전부하 조건에 따라 서브 드레인관을 통해 응축수가 배출되도록 함으로써 열교환기 내부의 수위를 유지하여 전열면적을 확보하는 것이 특징인 선박용 열교환기의 응축수 수위조절방법에 관한 것이다.
상술한 바아 같이 본 발명의 열교환기는 내부의 응축수 수위를 운전부하조건에 따라 적절한 전열면적을 확보할 수 있으며, 또한 냉각수의 유량 조건이 변경되어도 안정적으로 응축수의 수위를 유지할 수 있다는 등의 현저한 효과가 있다.

Description

선박용 열교환기의 응축수 수위조절방법{Method to control condensate water level of heat exchanger for ship}

선박의 보일러에서 생성된 스팀을 사용한 후, 재활용하기 위하여 회수 및 재응축시켜 보일러의 보급수로 사용되는 선박용 열교환기의 응축수 수위조절방법에 관한 것이다.

스팀보일러의 응축수 재활용장치에 관한 종래기술로는 등록실용신안공보 제0373295호에 스팀보일러에서 발생되는 스팀은 관로를 통하여 응축수탱크에 집수되는 응축수는 공급관에 장착된 펌프의 작동에 의해 스팀보일러에 재공급되는 구조를 갖는 통상의 스팀보일러의 응축수 재활용장치에 있어서, 상기 응축수탱크에는 저면에 퇴적되는 이물질을 외부로 배출시키기 위한 이물질배출수단과, 상기 응축수탱크에 집수되는 응축수의 온도를 적정온도로 조절하기 위한 온도조절수단을 부가한 구성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 스팀보일러의 응축수 재활용장치가 등록공개되어 있다.

그러나 상기 스팀보일러를 선박에 사용할 경우 선박의 특성상 운전조건에 따라 응축기 내부의 응축수를 일정하게 유지하는 것이 매우 어렵다.

이에, 선박에서 응축수의 수위를 일정하게 유지하기 위해 등록실용신안공보 제0357891호에 선박에 설치되는 보조기기로 기관실 시스템에서 오일히터 및 선실내의 난방, 주방장치, 오일탱크의 예열, 탱커선에서 카고 오일 펌프 터빈 구동과 주변기기 등에 사용되어진 스팀의 드레인과 각 장비에 공급 후 남은 잉여 스팀을 청수 혹은 해수와의 열교환에 의하여 응축 및 냉각시킨 후 캐스케이드 탱크로 응축수를 회수시키는 열교환기에 있어서, 응축부 영역과 아냉각부 영역으로 구성된 전열면이 존재하는 셀과 셀 상부에 부착되는 공기 출구와 셀 하부에 부착되는 드레인 출구, 드레인 출구관 및 드레인 배출관을 포함하여 형성된 것을 특징으로 하는 수위 조절용 드레인 파이프가 부착된 열교환기가 등록공개되어 있다.

그러나 상기 열교환기도 선박의 다양한 운전조건과 냉각수의 유량에 모두 부합하여 응축수를 배출 및 유지하는 데에는 한계가 있었다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 열교환기는 응축수가 들어오는 조건은 크게 문제가 되지 않으나, 고온/고압의 응축되지 않은 스팀이 유입되어 응축수로 변하지 않고, 드레인관으로 바로 빠져나가지 않도록, 열교환기 내부의 수위를 유지하여 전열면적을 적절하게 확보하는 선박용 열교환기의 응축수 수위조절방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 선박의 보일러에서 생성된 스팀을 사용한 후, 재활용하기 위하여 회수 및 재응축시켜 보일러의 보급수로 사용되기 위하여 열교환기의 내부로 유입된 응축수의 수위를 조절하기 위한 드레인관이 구비되어 있는 선박용 열교환기에 있어서, 상기 열교환기의 내부로 유입되는 고온고압의 응축되지 않은 스팀이 열교환기의 내부에서 응축수로 변하지 않은 상태로 드레인관으로 곧바로 배출되지 않도록, 드레인관에 복수 개의 서브 드레인관을 설치하여 선박의 운전부하 조건에 따라 서브 드레인관을 통해 응축수가 배출되도록 함으로써 열교환기 내부의 수위를 유지하여 전열면적을 확보하는 것이 특징이다.

상술한 바아 같이 본 발명의 열교환기는 내부의 응축수 수위를 운전부하조건에 따라 적절한 전열면적을 확보할 수 있으며, 또한 냉각수의 유량 조건이 변경되어도 안정적으로 응축수의 수위를 유지할 수 있다는 등의 현저한 효과가 있다.

도 1은 본 발명 열교환기의 측면도.
도 2는 본 발명 열교환기의 일부분 확대 상세도.
도 3은 본 발명 열교환기의 또 다른 실시 예에 따른 개요도.
도 4는 본 발명 열교환기의 오리피스 판 개요도.

본 발명 선박의 보일러에서 생성된 스팀을 사용한 후, 재활용하기 위하여 회수 및 재응축시켜 보일러의 보급수로 사용되기 위하여 열교환기(100)의 내부로 유입된 응축수의 수위를 조절하기 위한 드레인관(110)이 구비되어 있는 선박용 열교환기에 있어서, 상기 열교환기(100)의 내부로 유입되는 고온고압의 응축되지 않은 스팀이 열교환기(100)의 내부에서 응축수로 변하지 않은 상태로 드레인관(110)으로 곧바로 배출되지 않도록, 드레인관(110)에 복수 개의 서브 드레인관(120)을 설치하여 선박의 운전부하 조건에 따라 서브 드레인관(120)을 통해 응축수가 배출되도록 함으로써 열교환기(100) 내부의 수위를 유지하여 전열면적을 확보하는 것이 특징이다.

그리고 상기 드레인관(110)은 열교환기(100)의 하면에 U자형으로 설치되고, 상기 드레인관(110)에는 드레인관(110)의 수직방향으로 서로 일정간격 이격되게 복수 개의 서브 드레인관(120)을 설치함으로써 선박의 운전부하 조건에 따라 생성된 응축수의 조건에 대응하여 상기 서브 드레인관(120)을 통해 응축수를 배출시킴으로써 열교환기(100)의 내부에 생성된 응축수의 높이를 유지하도록 하는 것이 특징이다.

또한, 상기 서브 드레인관(120)의 내부는 오리피스 구조로 되어 있는 것이 특징이다.

이하, 본 발명 선박용 열교환기의 응축수 수위조절방법을 첨부한 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명 열교환기의 측면도, 도 2는 본 발명 열교환기의 일부분 확대 상세도이다.

도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명은 선박의 보일러에서 생성된 스팀을 사용한 후, 재활용하기 위하여 회수 및 재응축시켜 보일러의 보급수로 사용되기 위하여 열교환기(100)의 내부로 유입된 응축수의 수위를 조절하기 위한 드레인관(110)이 구비되어 있는 선박용 열교환기에 관한 것으로, 본 발명의 열교환기(100)는 내부로 고온고압의 응축되지 않은 스팀이 유입되어 응축수로 변하지 않고, 곧바로 드레인관(110)으로 바로 빠져나가지 않도록, 드레인관(110)에 복수 개의 서브 드레인관(120)을 설치하여 선박의 운전부하 조건에 따라 서브 드레인관(120)을 통해 응축수가 배출되도록 함으로써 열교환기(100) 내부의 수위를 유지하여 전열면적을 확보하도록 하였다.

특히, 상기 드레인관(110)은 열교환기(100)의 하면에 U자형으로 설치되고, 상기 드레인관(110)에는 드레인관(110)의 수직방향으로 서로 일정간격 이격되게 복수 개의 서브 드레인관(120)을 설치함으로써 선박의 운전부하 조건에 따라 생성된 응축수의 조건에 대응하여 상기 서브 드레인관(120)을 통해 응축수를 배출시킴으로써 열교환기(100)의 내부에 생성된 응축수의 높이를 유지하도록 하는 것이다.

더욱 상세하게는 U자형 드레인관(110)의 끝단부에는 응축수를 외부로 배출하기 위한 ㄱ자 형상의 연장부(130)가 체결되고, 상기 드레인관(110)과 연장부(130) 사이에 복수 개의 서브 드레인관(120)이 설치되는 것이다.

상기 드레인관(110)과 연장부(130) 사이에 서브 드레인관(120)의 체결이 용이하도록 서브 드레인관(120)은 한 쌍이 분할되도록 형성하고, 분할된 끝단부에는 플랜지(121)가 형성되어 상기 플랜지(121)를 맞댄 후, 볼팅작업을 함으로써 서브 드레인관(120)은 설치되게 된다.

또 다르게는 분할된 서브 드레인관(120)의 연결이 매우 용이하도록 상기 분할된 서브 드레인관(120)의 몸체 중 일부를 주름관으로 제작할 수도 있다.

한편, 상기 서브 드레인관(120)의 내부는 오리피스 구조로 되어 있는 것이 특징이다.

즉, 선박의 보일러에서 생성된 스팀을 용도에 맞게 사용한 후, 외부로 버리지 않고, 회수 및 재응축시켜 보일러의 보급수로 재활용시에 사용되는 열교환기에 관한 것으로, 열교환기에는 아래와 같이, 3가지 조건으로 유입이 되고 있다.

① Steam Dumpiing : 사용되지 못하고 남은 잉여의 고온/고압 Steam

② Steam Dumping + Condensate : 사용되지 못하고 남은 일부의 Steam과 상(相, 기체a액체)이 변환된 응축수(Condensate Water)

③ Condensate drain+Steam drain : 정박 중에 화물탱크 청소한 후, 응축되어 열교환기로 유입

상기에서 열량의 크기는 ① > ② > ③의 순으로 ①의 조건이 가장 열전달량이 많고, ③의 정박중 탱크 청소중에 사용되는 열량이 가장 적다.

따라서, 본 발명의 열교환기는 응축수가 들어오는 조건은 크게 문제가 되지 않으나, 고온·고압의 응축되지 않은 Steam이 유입되어 응축수로 변하지 않고, 드레인관(110)으로 바로 빠져나가지 않도록, 열교환기 내부의 수위를 유지하여 전열면적을 적절하게 확보하는 것이다.

1) 전열면적이 너무 클 경우(수위가 일정부분 유지하지 못한 경우)

- 상기의 기술한 바와 같이, Steam이 응축되지 못한 상태로 빠져나가서 열교환기의 역할을 할 수 없음.

2) 전열면적이 너무 작을 경우(열교환기 내부에 응축수가 가득 참)

- 수위가 최상으로 되어, 새로 유입되는 유체의 응축이 불가

이에, 본 발명의 열교환기는 최상의 전열면적을 확보하기 위해서 최소한의 전열면적을 확보하기 위한 목적으로 상기 3가지 유입 조건에 따라, 응축되는 양을 고려하여, 드레인관(110)에 서브 드레인관(120)과 오리피스를 열교환기의 수위에 맞춰서 높이와 오리피스의 구경을 조정하도록 한다.

즉, 응축되는 양이 가장 적은 Condensate Water의 경우가 가장 아래쪽 서브 드레인 ③으로 빠져나가고, 그보다 더 많은 Steam + Condensate Water의 경우는 서브 드레인 ③으로만 배출이 불가능하기에, 서브 드레인 ③을 초과하는 응축수는 ②로 빠져나가고, 가장 많은 Steam의 경우는 ③과②를 합쳐도 부족하므로, ①번으로 배출된다.

결과적으로 응축되는 양의 정도에 따라, 해당 Drain valve 쪽으로 응축수의 배출 순서가 정해지게 된다.

한편, 서브 드레인관(120)의 높이는 응축수의 양에 따라 결정이 된다.

즉, 열교환기(100)로 유입되는 Steam or Condensate Water의 양에 따라 내부에서 차오르는 응축수가 자유 낙하인 중력으로 배출되어야 하기에 서브 드레인관(120)이 높이는 열교환기(100)로 들어오는 응축수의 양과 관계가 있다.

한편, 오리피스 계산은 통과하는 유량을 산출하기 위해서는 아래의 식으로 계산할 수 있으며, 실제 유입되는 3가지 조건에 따른 응축수 양을 계산하여, 단순한 차압을 적용하면 된다.

여기서, 차압은 열교환기로 유입되는 Steam의 경우, 약6 kg/cm², Condensate Water의 경우는 조별로 차이는 있지만, 약 2~3 kg/cm²이다.

또한, 오리피스 출구쪽은 대기압인 0 kg/cm²이다.

Q= 통과유량

K= 유량계수

g= 중력가속도(m/sec²)

= 비중량(kg/m²)

d= 오리피스경(mm)

= 오리피스 차압(kg/cm²)

A= 오리피스 단면적(cm²)

또한, 선박의 운전조건에 따라서, 흡입되는 냉각수의 유량 조건이 변경되어도 안정적으로 수위가 유지되게 된다.

선박은 고유의 흘수(최대 잠길 수 있는 높이와 최대로 뜰 수 있는 높이)가 있다.

이 중 운전부하조건(화물을 실어서, 배가 최대로 잠길 수 있는 조건) 시에는 해수면의 높이가 상승하므로 펌프를 통해 열교환기로 유입되는 유량이 증가하게 된다.

반대로 Ballast Condtion(화물 없이, 배가 최소로 잠길 수 있는 높이) 시에는 유량이 부족하여 성능이 부족할 경우가 있다.

이에, 본 발명의 열교환기 드레인관은 선박의 흘수에 따라서, 공급되는 냉각수의 유량이 급격히 증가하거나 부족하더라도 아래와 같이 적절한 수위를 유지할 수 있다.

1) 냉각수 유량이 증가(Loading Condition) 경우,

유입되는 스팀이 급격하게 응축되어 응축수가 증가 되더라도 해당 드레인관으로 순차적으로 배출되기에 내부 Water Level 유지가 가능

2) 냉각수 유량이 감소(Ballast Condition) 경우,

일반적인 운전이 가능.

도 3은 본 발명 열교환기의 또 다른 실시 예에 따른 개요도, 도 4는 본 발명 열교환기의 유량조절판 개요도이다.

도 3 내지 도 4에 도시된 바와 같이 서브 드레인관(120)의 플랜지(121)에 유량조절판(130)을 삽입하여 유량을 조절할 수 있도록 하였다.

상기 유량조절판(130)은 원판형 몸체(131)와 상기 원판형 몸체(131)의 일측 가장자리에 원판형 몸체(131)를 관통하도록 형성된 관통공(132)과, 상기 원판형 몸체(131)에서 반지름 방향으로 돌출된 손잡이(133)로 이루어져 있다.

즉, 상기 플랜지(121) 간에는 손잡이(133)가 외부로 돌출될 수 있도록 원주방향으로 길게 가이드홈(도면부호 미도시)이 형성되어 있어, 상기 플랜지(121) 사이에 원판형 몸체(131)를 삽입한 후, 원판형 몸체(131)에 형성된 손잡이(133)가 가이드홈을 통해 외부로 돌출되도록 체결하도록 한다.

이에, 손잡이(133)를 가이드홈을 따라 회전시키게 되면 상기 관통공(132)은 원판형 몸체(131)의 중심부로부터 가장자리 측에 형성되어 있으므로 인해 서브 드레인관(120) 내에서 높이가 조절되게 되므로써 유량을 조절할 수 있게 되는 것이다.

이때, 상기 원판형 몸체(131)의 가장자리에 원주방향을 따라 복수 개의 체결공(134)을 형성하고, 플랜지(121)에도 이에 대응하는 복수 개의 체결공(122))을 형성함으로써 손잡이(133)로 관통공(1320의 위치를 조절한 후, 원판형 몸체(131)에 형성된 체결공(134)과 플랜지(121)에 형성된 체결공(122)을 일치시켜 핀을 관통시킴으로써 원판형 몸체(131)를 플랜지(121)에 고정할 수 있게 되는 것이다.

100. 열교환기
110. 드레인관
120. 서브 드레인관 121. 플랜지 122. 체결공
130. 유량조절판 131. 원판형 몸체 132. 관통공
133. 손잡이 134. 체결공

Claims

선박의 보일러에서 생성된 스팀을 사용한 후, 재활용하기 위하여 회수 및 재응축시켜 보일러의 보급수로 사용되기 위하여 열교환기(100)의 내부로 유입된 응축수의 수위를 조절하기 위한 드레인관(110)이 구비되어 있는 선박용 열교환기에 있어서,
상기 열교환기(100)의 내부로 유입되는 고온고압의 응축되지 않은 스팀이 열교환기(100)의 내부에서 응축수로 변하지 않은 상태로 드레인관(110)으로 곧바로 배출되지 않도록, 드레인관(110)에 복수 개의 서브 드레인관(120)을 설치하여 선박의 운전부하 조건에 따라 서브 드레인관(120)을 통해 응축수가 배출되도록 함으로써 열교환기(100) 내부의 수위를 유지하여 전열면적을 확보하는 것이며,
상기 드레인관(110)은 열교환기(100)의 하면에 U자형으로 설치되고, 상기 드레인관(110)에는 드레인관(110)의 수직방향으로 서로 일정간격 이격되게 복수 개의 서브 드레인관(120)을 설치함으로써 선박의 운전부하 조건에 따라 생성된 응축수의 조건에 대응하여 상기 서브 드레인관(120)을 통해 응축수를 배출시킴으로써 열교환기(100)의 내부에 생성된 응축수의 높이를 유지하도록 하는 것이며,
상기 서브 드레인관(120)의 내부는 오리피스 구조로 되어 있는 것이며,
상기 U자형 드레인관(110)의 끝단부에는 응축수를 외부로 배출하기 위한 ㄱ자 형상의 연장부(130)가 체결되고, 상기 드레인관(110)과 연장부(130) 사이에 복수 개의 서브 드레인관(120)이 설치되는 것이며,
상기 드레인관(110)과 연장부(130) 사이에 서브 드레인관(120)의 체결이 용이하도록 서브 드레인관(120)은 한 쌍이 분할되도록 형성하고, 분할된 끝단부에는 플랜지(121)가 형성되어 상기 플랜지(121)를 맞댄 후, 볼팅작업을 함으로써 서브 드레인관(120)은 설치되며, 분할된 서브 드레인관(120)의 연결이 용이하도록 분할된 서브 드레인관(120)의 몸체 중 일부를 주름관으로 제작하는 것이며,
상기 드레인관(110)에 서브 드레인관(120)과 오리피스를 열교환기(100)의 수위에 맞춰서 높이와 오리피스의 구경을 조정하도록 하는 것이며,
유량조절판은 원판형 몸체(131)와 상기 원판형 몸체(131)의 일측 가장자리에 원판형 몸체(131)를 관통하도록 형성된 관통공(132)과, 상기 원판형 몸체(131)에서 반지름 방향으로 돌출된 손잡이(133)로 이루어지는 것이며,
상기 플랜지(121) 간에는 손잡이(133)가 외부로 돌출될 수 있도록 원주방향으로 길게 가이드홈이 형성되어 있어, 상기 플랜지(121) 사이에 원판형 몸체(131)를 삽입한 후, 원판형 몸체(131)에 형성된 손잡이(133)가 가이드홈을 통해 외부로 돌출되도록 체결하도록 하여, 상기 손잡이(133)를 가이드홈을 따라 회전시키게 되면, 상기 관통공(132)은 원판형 몸체(131)의 중심부로부터 가장자리 측에 형성되어 있으므로 인해 서브 드레인관(120) 내에서 높이가 조절되게 되므로써 유량을 조절할 수 있게 되는 것이며,
상기 원판형 몸체(131)의 가장자리에 원주방향을 따라 복수 개의 체결공(134)을 형성하고, 플랜지(121)에도 이에 대응하는 복수 개의 체결공(122))을 형성함으로써 손잡이(133)로 관통공(132)의 위치를 조절한 후, 원판형 몸체(131)에 형성된 체결공(134)과 플랜지(121)에 형성된 체결공(122)을 일치시켜 핀을 관통시킴으로써 원판형 몸체(131)를 플랜지(121)에 고정할 수 있게 되는 것이며,
상기 선박의 운전조건에 따라서, 흡입되는 냉각수의 유량 조건이 변경되어도 안정적으로 수위가 유지되는 것이며,
상기 선박은 고유의 흘수가 있는 것으로, 운전부하조건 시에는 해수면의 높이가 상승하므로 펌프를 통해 열교환기로 유입되는 유량이 증가하게 되며, 반대로 냉각수 유량이 감소(Ballast Condition) 시에는 유량이 부족하여 성능이 부족할 경우가 있어, 상기 선박의 흘수에 따라서, 공급되는 냉각수의 유량이 급격히 증가하거나 부족하더라도 적절한 수위를 유지할 수 있는 것으로, 냉각수 유량이 증가(Loading Condition)의 경우, 유입되는 스팀이 급격하게 응축되어 응축수가 증가 되더라도 해당 드레인관으로 순차적으로 배출되기에 내부 Water Level 유지가 가능한 것이 특징인 선박용 열교환기의 응축수 수위조절방법.
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